Tecnica dell'ultracentrifugazione

Se un recipiente contenente acqua e sabbia viene agitato e poi lasciato riposare, la sabbia sedimenta rapidamente sul fondo del recipiente per effetto della forza di gravità (un'accelerazione g = 9,81 mxs-2). Per quanto riguarda le macromolecole, soltanto quando viene applicata un'accelerazione enorme, il comportamento di esse diventa simile a quello dei granelli di sabbia. L'ultracentrifuga può raggiungere velocità rotazionali fino a circa 80000 rpm (giri per minuto) e generare un campo centrifugo pari a 600000 volte la gravità (600000xg). Tutt'oggi questa tecnica è diventata un mezzo indispensabile per l'isolamento di proteine, acidi nucleici e di particelle subcellulari.
SEDIMENTAZIONE
La velocità cui le particelle sedimentano nell'ultracentrifugazione è una funzione della loro massa. La forza, Fsedimentazione, necessaria per sedimentare una particella di massa m, localizzata ad una distanza r dal punto intorno a cui sta ruotando con una velocità angolare ω è la forza centrifuga (mω2r) che agisce sulla particella sottratta dalla forza di galleggiamento esercitata dalla soluzione che spinge verso l'alto la particella:
Fsedimentazione = mω2r – Vpρω2r
dove Vp è il volume della particella e ρ è la densità della soluzione. Come abbiamo già visto, al moto di una particella attraverso una soluzione si oppone la forza frizionale:
Ffrizionale = vf
dove v=dr/dt è la velocità di migrazione della particella durante la sedimentazione ed f è il coefficiente frizionale. Questa entità può essere determinata per una data particella misurando la sua velocità di diffusione. Sotto la spinta della forza gravitazionale (centrifuga), la particella accelera fino a che le forze non sono esattamente bilanciate:
mω2r – Vpρω2r = vf
La massa della particella, M, è definita secondo l'equazione: m = M/N dove N è il numero di Avogadro (6,022x1023). Quindi:
Vp = V'm = V'M/N
dove V', il volume parziale specifico della particella, rappresenta la variazione di volume che si ha quando 1 g (peso secco) di particelle viene disciolto in un volume infinito di solvente. Inoltre una particella può essere caratterizzata dalla sia velocità di sedimentazione. Sostituendo l'equazione m=M/N e Vp = V'm = V'M/N nell'equazione mω2r – Vpρω2r = vf otteniamo:
vf = M(1-V'ρ)ω2r/N
Definiamo ora il coefficiente di sedimentazione, s, come:
s = v/ω2r = (1/ω2)(d ln r/dt) = M(1-V'ρ)/Nf
Il coefficiente di sedimentazione, un entità analoga alla mobilità elettroforetica, viene normalmente espressa in unità pari a 10-13s, note anche come unità Svedberg (S). Comunque, in generale, quest'ultima equazione indica che la massa della particella M, può essere determinata misurando il suo coefficiente di sedimentazione, s, se il suo coefficiente frizionale, f, è noto.